ENERGIA? Titolo

SI GRAZIE! DARLE UN PO DI SOLE O UN PO DI VENTO! … COME LA PREFERISCE? PERCHE’ IL PETROLIO E’ FINITO!... …FORSE C’E’ UN PO DI CARBONE… LA CENTRALE NUCLEARE E’ ANCORA IN COSTRUZIONE… POSSIAMO DARLE UN PO DI SOLE O UN PO DI VENTO! …

L’energia... L’energia è... La capacità di compiere un lavoro! L’energia ha due caratteristiche principali: 1) si conserva 2) può avere diverse forme (cinetica, termica, chimica, ecc.) L’energia si misura in joule (1J = 1N ∙ 1m) Ogni oggetto di massa non nulla ha energia E = mc2 è la famosa legge di Einstein che esprime la relazione tra queste due grandezze La maggior parte dell’energia a nostra disposizione proviene, direttamente o indirettamente, dal Sole, la nostra primaria fonte di calore Il calore è una grandezza che ha le stesse dimensioni fisiche dell’energia

Le grandezze fondamentali Grandezza fisica Simbolo della grandezza fisica Nome dell'unità SI Simbolo dell'unità SI lunghezza l metro m massa M chilogrammo kg intervallo di tempo t secondo s Intensità di corrente I, i ampere A temperatura assoluta T kelvin K quantità di sostanza n mole mol intensità luminosa Iv candela cd Altre grandezze fisiche molto importanti (derivate) sono: La velocità (lunghezza/tempo) L’accelerazione (velocità/tempo) La quantità di moto (massa x velocità) La forza (quantità di moto/tempo) (massa x accelerazione)

Le particelle elementari

Le interazioni fondamentali FORTE In natura sono individuate quattro forze fondamentali, responsabili della struttura dell’Universo: Forza nucleare forte L’interazione forte avviene tra quark ed è mediata da gluoni È attrattiva e, ad esempio, tiene insieme protoni e neutroni nel nucleo di un atomo Forza elettromagnetica L’interazione elettromagnetica avviene tra cariche ed è mediata dai fotoni Può essere attrattiva o repulsiva e, ad esempio, è responsabile dei legami tra gli atomi Forza nucleare debole L’interazione debole avviene tra quark e/o leptoni ed è mediata dai bosoni W-, W+ e Z Regola alcune reazioni nucleari e, ad esempio, è responsabile di alcuni decadimenti radioattivi Forza gravitazionale L’interazione gravitazionale è generata da masse ed è mediata dai gravitoni È responsabile della forza-peso e dei moti delle stelle e dei pianeti DEBOLE

L’elettricità L’energia elettrica è una delle tante forme dell’energia È un energia “comoda” perché può essere adoperata per muovere, riscaldare, illuminare, riprodurre suoni... Per questi motivi la sua produzione è tanto cara all’uomo: l’elettricità elettrica viene infatti definita “la forma più nobile dell’energia” Le grandezze fisiche legate all’elettricità vengono dette appunto “grandezze elettriche”; le principali sono: Corrente elettrica, misurata in ampere (A, grandezza fondamentale) Carica elettrica, misurata in coulomb (1C = 1A ∙ 1s) Tensione elettrica, misurata in volt (1V = 1J / 1C) Potenza, misurata in watt (1W = 1V ∙ 1A) Resistenza elettrica, misurata in Ohm (1Ω = 1V / 1A)

Il problema energetico Un problema di grande attualità è riuscire a produrre tutta l’energia (elettrica e non) richiesta. In realtà, come anticipato inizialmente, l’energia non viene prodotta ma si conserva: occorre dunque trasformare l’energia da forme non nobili a forme nobili, cioè utili all’uomo. Esistono vari modi dunque per “produrre” energia, alcuni adoperati da decenni, altri da sperimentare. Ma i problemi che la produzione di energia elettrica comporta sono principalmente due: l’esaurimento di alcune fonti di energia e l’inquinamento dell’ambiente. Più energia viene prodotta, più si esauriscono le fonti energetiche non rinnovabili e più si inquina l’ambiente. L’obiettivo principale è, da una parte, trovare nuovi metodi per una produzione “inesauribile” e “pulita” dell’energia, e dall’altra far diminuire la richiesta di energia, cercando di evitare gli sprechi prestando dunque molta attenzione al risparmio.

Le fonti di energia Le diverse fonti di energia vengono tradizionalmente suddivise in due grandi gruppi: fonti esauribili e fonti rinnovabili. La maggior parte delle fonti rinnovabili non è inquinante. Fonti esauribili o non rinnovabili: legna e combustibili fossili (carboni, petrolio, gas naturale) “combustibili” nucleari Fonti rinnovabili: energia idrica biomasse vento maree energia geotermica energia solare

Energia da combustibili fossili Quasi tutta l’energia a nostra disposizione viene prodotta a partire da combustibili fossili. Carbone, petrolio e gas naturale sono le principali fonti di energia per la produzione di elettricità, per il riscaldamento delle case e per il funzionamento delle fabbriche. Tuttavia queste fonti si esauriranno a breve e si dovrà presto fare affidamento alle altre fonti, chiamate infatti “fonti alternative”. I combustibili fossili, inoltre, sono i principali responsabili di problemi ambientali come effetto serra e piogge acide. Combustibile PCI (MJ/kg) Petrolio 41 Gas naturale 50 Carbone 32 PCI, potere calorifico inferiore: calore liberato dalla combustione non considerando il calore di evaporazione del vapore acqueo

Inquinamento da combustibili fossili Composti dello zolfo (SOX): l’anidride solforosa, ad esempio, negli strati alti dell'atmosfera si combina con l'acqua e ricade sulla terra sotto forma di acido solforico (piogge acide); Ossidi di azoto (NOX ), responsabili di pericolosi nitrati; Ossidi di carbonio: il monossido CO e l'anidride CO2. Il primo se inalato in concentrazioni eccessive può dare gravi problemi respiratori. Il secondo è responsabile dell'effetto serra (trattiene il calore irraggiato dalla terra) con aumento della temperatura del pianeta ed i disastri ad esso correlati (variazioni climatiche, innalzamento del livello dei mari); Particolato: polveri sottili prodotte dalla combustione  costituite da particelle incombuste aventi un diametro tale da sfuggire ad i filtri. Quelle inferiori ai 2,5 micron di diametro sfuggono al filtraggio e si annidano negli alveoli polmonari generando patologie respiratorie e carcinomi; Inquinamento delle acque del mare: fondamentalmente per versamento in mare di petrolio e derivati.

L’energia nucleare L’energia nucleare può essere suddivisa in energia da fissione ed energia da fusione. La prima viene utilizzata da diversi decenni mentre la seconda è ancora in fase sperimentale. Fissione nucleare: aspetti positivi: non è inquinante; aspetti negativi: le scorie prodotte dalle reazioni di fissione sono altamente pericolose; il costo di una centrale nucleare è elevato e il relativo prezzo dell’energia non è più basso di quella ottenuta con i combustibili fossili; i “combustibili nucleari”, cioè i materiali (come l’uranio) necessari per la reazione non sono illimitati. Fusione nucleare: Aspetti positivi: non vengono prodotte scorie radioattive; i materiali da utilizzare sono il litio (da cui si ottiene il trizio) e il deuterio, facilmente reperibili; Aspetti negativi: questa tecnologia è in fase sperimentale e ad oggi non sono state costruite centrali a fusione; gli effetti di alcune particelle di scarto della reazione non sono ben conosciuti e potrebbero essere pericolosi.

L’idrogeno La combustione dell’idrogeno è una combustione pulita: viene prodotta soltanto acqua (e pochi NOX, nulli con combustione chimica) L’idrogeno si trova ovunque: è il terzo elemento più diffuso sulla Terra dopo ossigeno e silicio Tuttavia non è facile riuscire a ottenere idrogeno puro. Le tecniche principali sono: - conversione dalle biomasse (svantaggioso perché necessita energia) - elettrolisi (svantaggioso perché si è costretti a utilizzare elettricità) - termolisi dell’acqua (vantaggioso, ma ancora agli albori: ci sono diverse tecniche sperimentali come il ciclo zolfo-iodio che fanno ben sperare) Una volta prodotto l’idrogeno, si rivela un problema anche la sua distribuzione: infatti l’idrogeno è altamente corrosivo e occorrerebbero nuove tecnologie per la costruzione di “idrogenodotti” Inoltre l’idrogeno deve essere utilizzato immediatamente perché si hanno perdite giornaliere del 5 % dovute ad evaporazione (l’inevitabile fenomeno del boil-off) Tuttavia, se si riuscisse a sormontare queste difficoltà, l’idrogeno potrebbe dare un notevole contributo alla questione energetica: può essere utilizzato come “vettore energetico” ed ha un potere calorifico di 142 MJ/kg

Energia da fonti alternative Solare: attraverso l’utilizzo di pannelli solari è possibile riscaldare case e soprattutto produrre energia elettrica. I costi di produzione di un impianto fotovoltaico sono in ribasso e ciò dovrebbe incoraggiare l’acquisto da parte di privati. La potenza attualmente installata in Italia è in aumento: circa 6 -7 GW su una potenza nazionale di circa 100 GW. Eolico: la potenza eolica installata attualmente in Italia è circa di 5 GW; anche questo settore è fortemente in crescita. Come il solare l’energia eolica è un’energia pulita e inesauribile. Geotermico: l’energia geotermica, nonostante sia una fonte rinnovabile, è limitata alla conformazione geologica del territorio: in Italia lo sfruttamento di questa risorsa energetica è attivo e la potenza installata è di circa 1 GW. Idroelettrico: anche lo sfruttamento dell’energia idroelettrica è legato al territorio. Ciononostante in Italia la potenza installata è di circa 18 GW, una grossa fetta delle rinnovabili.

Le sole energie rinnovabili, attualmente, non possono bastare a soddisfare l’enorme richiesta di energia. È necessario limitare gli sprechi a cui siamo abituati, soprattutto nei riscaldamenti, che costituiscono il 50% del fabbisogno energetico. Occorre poi saper fare a meno dei combustibili fossili: le speranze sono riposte nel solare, nell’eolico, ma soprattutto in nuove tecnologie, come la fusione nucleare e lo sfruttamento dell’idrogeno.